Петрологи из Университета Райса, которые воссоздали жаркие условия высокого давления на глубине 60 миль под поверхностью Земли, нашли новый ключ к ключевому событию в далеком прошлом планеты.
Их исследование описывает, как ископаемый углерод - останки самых ранних одноклеточных существ на Земле - мог быть включен и заперт глубоко в недрах Земли, начиная примерно 2,4 миллиарда лет назад - в то время, когда содержание кислорода в атмосфере резко возросло. На этой неделе статья появится в Интернете в журнале Nature Geoscience.
«Это интересная концепция, но для развития сложной жизни самая ранняя форма жизни должна быть глубоко погребена в мантии планеты», - сказал Радждип Дасгупта, профессор наук о Земле в Райс. «Механизм этого захоронения состоит из двух частей. Во-первых, вам нужна какая-то форма тектоники плит, механизм для переноса углеродных остатков ранних форм жизни обратно на Землю. Во-вторых, вам нужна правильная геохимия, чтобы органический углерод мог быть занесены глубоко в недра Земли и тем самым надолго удалены из поверхностной среды».
Вопрос заключается в том, что вызвало «великое событие окисления», резкое увеличение содержания кислорода в атмосфере, которое хорошо задокументировано в бесчисленных древних горных породах. Это событие настолько хорошо известно геологам, что они часто называют его просто «GOE». Но, несмотря на это знакомство, нет научного консенсуса о том, что вызвало GOE. Например, ученые знают, что самая ранняя известная жизнь на Земле, одноклеточные цианобактерии, поглощали углекислый газ из атмосферы и выделяли кислород. Но появление ранней жизни отодвигалось все дальше и дальше в прошлое с недавними открытиями окаменелостей, и теперь ученые знают, что цианобактерии были распространены по крайней мере за 500 миллионов лет до GOE.
«Возможно, цианобактерии сыграли свою роль, но GOE был настолько драматичным - концентрация кислорода увеличилась в 10 000 раз - что цианобактерии сами по себе не могли объяснить это», - сказала ведущий соавтор Меган Дункан. которая провела исследование для своей докторской степени. диссертация в Райс. «Также должен быть механизм для удаления значительного количества восстановленного углерода из биосферы и, таким образом, изменения относительной концентрации кислорода в системе», - сказала она.
Удаление углерода без удаления кислорода требует особых условий, поскольку эти два элемента склонны связываться друг с другом. Они образуют один из ключевых компонентов атмосферы - углекислый газ, а также все виды карбонатных пород.
Дасгупта и Дункан обнаружили, что химический состав «силикатного расплава» - погружающейся породы земной коры, которая плавится и поднимается обратно на поверхность в результате вулканических извержений, - играет решающую роль в определении того, тонет ли окаменевший органический углерод или графит. в мантию или поднимается обратно на поверхность в результате вулканизма.
Дункан, ныне научный сотрудник Института Карнеги в Вашингтоне, округ Колумбия, сказал, что это исследование является первым, в котором изучается способность нести графит типа расплава, известного как риолит, который обычно образуется глубоко в мантии. и переносит значительное количество углерода в вулканы. Она сказала, что способность риолитовой породы нести графит имеет решающее значение, потому что, если графит склонен возвращаться на поверхность за счет извлечения риолитового расплава, он не был бы захоронен в достаточном количестве, чтобы объяснить GOE.
"Силикатный состав играет важную роль", - сказала она.«Ученые ранее изучали углеродсодержащую способность составов, которые были гораздо более богаты магнием и бедны кремнием. Но составы этих риолитовых расплавов содержат много кремния и алюминия и очень мало кальция, магния и железа. Это важно, потому что кальций и магний являются катионами, и они изменяют количество углерода, которое вы можете растворить».
Дасгупта и Дункан обнаружили, что риолитовые расплавы могут растворять очень мало графита, даже когда они очень горячие.
«Это было одним из наших мотивов», - сказал Дасгупта, профессор наук о Земле. «Если зоны субдукции в прошлом были очень горячими и производили значительное количество расплава, могли ли они полностью дестабилизировать органический углерод и высвободить его обратно на поверхность?
«Мы показали, что даже при очень, очень высоких температурах не так много графитового углерода растворяется в расплаве», - сказал он. «Поэтому, несмотря на то, что температура высока и вы производите много расплава, этот органический углерод не очень растворим в этом расплаве, и в результате углерод погребен в мантии.
Что интересно, так это то, что с началом и ожидаемыми темпами погружения земной коры в глубокую мантию, начиная непосредственно перед GOE, и с нашими экспериментальными данными об эффективности глубокого захоронения восстановленного углерода, мы могли бы смоделировать ожидаемое повышение уровня атмосферного кислорода в GOE», - сказал Дасгупта.
Исследование подтверждает результаты статьи 2016 года коллеги-петролога из Райса Син-Тай Ли и его коллег, в которой предполагалось, что тектоника плит, формирование континентов и появление ранней жизни были ключевыми факторами в развитии богатой кислородом атмосферы. на Земле.
Дункан, который все больше внимания уделяет экзопланетным системам, сказал, что исследование может дать важные подсказки о том, на что следует обратить внимание ученым при оценке того, какие экзопланеты могут поддерживать жизнь.